Термообработка титановых сплавов

Как уже говорилось ранее зависимости от строения титановые сплавы разделяют на три группы: сплавы со структурой α -твердого раствора; сплавы со смешанной структурой (α+β)-твердого раствора и сплавы со структурой β -твердого раствора. Термической обработкой упрочняются (α+β) и β сплавы, а α - сплавы не упрочняются.

Схема влияния легирующих элементов и примесей на температуру аллотропического превращения титана

Химический состав (%) титановых сплавов (остальное титан)

Наиболее важным элементом является алюминий: он содержится во всех сплавах. Алюминий увеличивает прочность, жаропрочность и сопротивляемость титановых сплавов окислению при высоких температурах. Другие элементы, стабилизирующие α - фазу (кислород, азот), влияют положительно (увеличивая прочность) только при очень небольшом их количестве - до 0,15% 02 и 0,04% N2. Большее содержание этих элементов вызывает хрупкость в сплавах. Для получения в титановых сплавах (α+β) или β - структуры их легируют в определенном количестве α -стабилизатором (алюминием) и β -стабилизаторами (хромом, молибденом, ванадием и др.). Титановые сплавы подвергают рекристаллизациоиному отжигу и отжигу с фазовой перекристаллизацией, закалке и старению. Для повышения износостойкости и задиростойкости титановые сплавы подвергают азотированию, цементации или окислению.

Отжиг.

Рекристаллизационный отжиг применяют для титана и α-сплавов для снятия наклепа после их холодной обработки давлением. Температура рекристаллизациоииого отжига 520- 850В° С в зависимости от химического состава сплава (легирующие элементы повышают температуру рекристаллизации) и вида полуфабриката (более низкая температура для листов, более высокая для прутков, поковок, штампованных деталей).

Микроструктура сплава втз-1: а - после отжига; X 300; б - после двойного отжига; X 2000

Отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют для (α+β) - сплавов с целью снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности. Применяют простой, изотермический и двойной отжиг; температура нагрева при отжиге 750-950В° С (в зависимости от сплава).

При простом отжиге ((α+β) -сплавов их нагревают до температуры отжига, выдерживают и медленно охлаждают. Образующаяся при нагреве β - фаза (иногда с остаточной α-фазой) при медленном охлаждении распадается с выделением α-фазы, в результате чего образуется структура α и β-фаз (рис. 135, а), близкая к равновесной. При изотермическом отжиге после выдержки при температуре отжига детали охлаждают до 500-650В° С (в зависимости от сплава) в той же печи или переносят в другую печь и выдерживают определенное время, необходимое для распада β - фазы, и охлаждают на воздухе. При изотермическом отжиге сокращается продолжительность отжига, а пластичность получается более высокой.

При двойном отжиге детали нагревают до температуры отжига, выдерживают и охлаждают на воздухе. Затем повторно нагревают до 500-650В° С, выдерживают и охлаждают на воздухе. Двойной отжиг по сравнению с изотермическим отжигом повышает предел прочности [например, для сплава ВТЗ-1 на 8-10 кгс/мм2 (80- 100 МН/м2)] при незначительном снижении пластичности и сокращает длительность обработки. При двойном отжиге распад β - фазы происходит при охлаждении на воздухе от температуры первого отжига и в процессе второго отжига, который в данном случае является фактически старением; образующиеся мелкодисперсные продукты распада (рис. 135, б) упрочняют сплав.

Закалка.

Титановые сплавы, содержащие β -стабилизатор, подвергают упрочнению термической обработкой - закалкой и старением. Схема превращений при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания β - стабилизатора приведена на рис. 136. Рассмотрим превращения, происходящие в титановых сплавах с различным содержанием β - стабилизатора при быстром охлаждении (закалке) от температур выше линии ас4 при которых сплавы имеют структуру устойчивой β - фазы.

При концентрации β-стабилизатора меньше концентрации в точке с1 при температурах на линии Мн в сплавах начинается (например, в сплаве I-I при температуре t1) и при температурах на линии Мк заканчивается (в сплаве I-I при температуре t2) мартенситное превращение β - фазы в α' - фазу (β - β') с образованием структуры α' - фазы (рис. 137).

При концентрации β - стабилизатора от концентрации в точке с1 до концентрации в точке с2 процесс протекает так же, как для сплавов при концентрации β - стабилизатора меньше концентрации в точке с1 с той разницей, что вместо α' - фазы образуется α" - фаза (β - α") и это превращение начинается (в сплаве II-II при температуре t3) и заканчивается (в сплаве II-II при температуре t4) при более низких температурах.

При концентрации β-стабилизатора от концентрации в точке с2 до концентрации в точке Cкр при температурах на линии Мн в сплавах начинается (в сплаве III-III при температуре t5) мартенситное превращение, но при понижении температуры не заканчивается. Следовательно, при температурах на линии Мн (в сплаве III-III при температуре t5 β - фаза только частично превращается в β"-фазу и образуется структура α"+β. Сохранившаяся β - фаза является нестабильной βнест.

  Схема превращений при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания β-стабилизатора

При концентрации β-стабилизатора от концентрации в точке Скр до концентрации в точке с3 при температуре в точке t6 (например, в сплаве IV-IV) внутри β-твердого раствора образуется ω-фаза. Это превращение никогда не доходит до конца, и поэтому сплав состоит из βнест+ω. При концентрации β-стабилизатора от концентрации в точке с3 до концентрации в точке с4 при закалке фиксируется нестабильная β - фаза (например, в сплаве V-V). При концентрации β - стабилизатора больше концентрации в точке с4 сохраняется стабильная β - фаза.

При закалке титановых сплавов от температур ниже линии ас4 (но выше аб), т. е. из (α+β)-области, в β-фазе произойдут те же превращения, какие протекают в данном сплаве при его закалке с нагревом до температур выше линии ас4, но в структуре сохранится также еще и α - фаза. Как видно из рассмотренных выше превращений, при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания β-стабилпзатора образуются фазы α' α" ω βнест. Эти фазы образуются из β - фазы в результате бездиффузионного (мартенситного) превращения.

Фаза α' представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α-титане; как и α-фаза, она имеет гексагональную кристаллическую решетку (несколько искаженную подобно мартенситу в сталях) и игольчатую микроструктуру; по сравнению с α-фазой β'-фаза несколько тверже и прочнее; образуется в титановых сплавах с малой концентрацией легирующих элементов. Фаза α" представляет собой, подобно α'-фазе, пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α-титане, но по сравнению с α'-фазой более пересыщена, так как образуется в сплавах с большей концентрацией легирующих элементов; кристаллическая решетка α" - фазы ромбическая. Эта фаза образуется только в титановых сплавах, легированных такими элементами (Mo, V, Nb и др.), атомные радиусы которых близки к атомному радиусу титана; как и α'-фаза, она имеет игольчатое строение, а твердость и прочность ее значительно ниже.

Фаза ω представляет собой соединение электронного типа (с электронной концентрацией, близкой к 4,2 электрона на атом) с искаженной гексагональной кристаллической решеткой, когерентно связанной с решеткой β-фазы (так как превращение β - ω со никогда не доходит до конца). Подобно α'- и α"-фазам превращение β - ω происходит бездиффузионным путем, но образующаяся структура не имеет игольчатого строения. При наличии ω-фазы повышается твердость, но резко снижается пластичность сплавов, поэтому следует применять режимы, исключающие образование при термической обработке ω-фазы, охрупчивающей сплав. Нестабильная β-фаза (βнест), фиксируемая с высокой температуры, представляет собой пересыщенный твердый раствор на основе β-титана.

Старение.

Образовавшиеся в результате закалки метастабильные фазы α', α", ω и βнест. При последующем нагреве переходят в более стабильные дисперсные структуры. На процесс старения и получаемые при этом результаты влияют состав сплава, его структура после закалки, температура и длительность старения. При старении α-сплавов со структурой после закалки α'-фазы происходит превращение α'-α. При старении (α+β) - сплавов в зависимости от структуры, полученной после закалки, происходят следующие превращения:

α'(α")-(α+β); α" + βнест - α + β βнест + ω - α+β.

При старении β-сплавов происходит распад βнест фазы на α и β-фазы:

βнест> α+β.

Распад β-фазы в (α+β)- и β-сплавах по схеме βнест> α+β происходит во время старения при температурах выше 450В° С (для большинства сплавов). При более низких температурах распад β-фазы происходит с образованием ω-фазы: βнест - βнест+ω, а если после закалки получена структура βнест+ω, то старение при низких температурах приводит к возрастанию количества ω-фазы. Так как наличие ω-фазы вызывает охрупчивание сплава, старения при низких температурах избегают.

Длительность старения при выбранной температуре влияет следующим образом: вначале твердость повышается (образование дисперсных частиц α-фазы), достигает максимума, а затем снижается (коагуляция частиц α-фазы). Изменение структуры сплавов при старении, как результат распада пересыщенного твердого раствора с выделением дисперсных частиц α-фазы (а в сплавах с β-эвтектоидным стабилизатором интерметаллидов TiX), вызывает упрочнение сплава. Наибольший эффект упрочнения получается при распаде β-фазы.

Закалка и старение α-сплавов (ВТ5, ОТ4 и др.) почти не изменяют механических свойств, и поэтому сплавы этой группы подвергают только отжигу. Закалкой и старением (α+β)-сплавов (ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8 и др.) можно получить значительное упрочнение. Эти сплавы закаливают из двухфазной (α+β)-области (800-920В° С в зависимости от сплава) и подвергают старению при температурах 450-550В° С от 2 до 16 ч. С повышением температуры закалки увеличивается прочность и снижается пластичность. Хорошее сочетание прочности и пластичности достигается старением при 500 -550В° С. Например, сплав ВТЗ-1 после закалки в воде от 835В° С и последующего старения при 500В° С имеет σв = 150 кгс/мм2 (1500 МН/м2), δ = 7%, ψ = 17%.

Сплавом р является сплав ВТ15, упрочнение которого проводят закалкой в воде от 800В° С с последующим двойным старением при 480-500В° С 16-25 ч и при 560В° С 15 мин. После двойного старения сплав более пластичен (устранение ω-фазы при втором старении при 560В° С): σв = 125-135 кгс/мм2 (1250-1350 МН/м2) и δ = 9-11 %, а после такого же режима, но без второго старения σв = 145 - 150 кгс/мм2 (1450-1500 МН/м2), δ = З-4%.

Азотирование.

Из всех видов химико-термической обработки титановых сплавов наибольшее распространение получило азотирование, осуществляемое в среде азота или в смеси азота и аргона при температурах 850-950В° С в течение 10-50 ч. Микроструктура азотированного слоя состоит из хрупкой зоны нитридов (на поверхности) толщиной 5-20 мкм и глубже расположенной зоны твердого раствора азота в α-титане (толщиной 0,1- 0,15 мм) с твердостью HV 800-1000. Хрупкую поверхностную нитридную зону удаляют шлифованием.

Детали из титановых сплавов после азотирования обладают хорошими антифрикционными свойствами, повышенным пределом выносливости, коррозионной стойкостью и высокой износостойкостью.